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蓄电池在恶劣应用环境下的综合解决方案

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引言

通信直流电源是基础电信设备，为通信主设备提供供电保障。蓄电池组是通信直流电源系统中的重要组成部分，相当于备用电源，是通信直流电源系统的最后一道防线。
在电信业务的初期发展过程中，运营商对蓄电池关注较少，在交流停电时蓄电池能供电就可以了。近年来，电信运营领域的竞争加剧、愈演愈烈，运营商对蓄电池的使用寿命、维护工作量、TCO非常关注，要求越来越高。

随着通信网络的发展与技术进步，为了节省建设成本、加快建设周期，在城乡结合部、小城镇和农村地区，运营商往往不建设机房或者移动方舱，而是采用室外柜方案安置通信主设备及直流电源系统。近年来，全球主流运营商的新建基站中，室外基站的比例逐年提高。对于低纬度及沙漠化的国家或地区（如南亚、非洲等），高温对室外基站的影响很大。室外基站一般处于偏远地区，电力保障较差，尤其在发展中国家。室外基站经常面对高温、电网频繁停电的恶劣工作环境。通信直流电源系统的室外应用渐趋主流，蓄电池经常处于高温、电网频繁停电的恶劣应用环境。
蓄电池在恶劣应用环境下面临的问题

随着室外基站应用增多，恶劣应用环境下蓄电池故障逐渐凸显出来，如巴基斯坦、印度等南亚地区，既给运营商造成了经济损失又损害了运营商的客户满意度。针对在恶劣应用环境下蓄电池大量损坏，中兴通讯进行了广泛调研，深入了解蓄电池的应用场景，调查分析蓄电池故障原因。问题的关键不在蓄电池本身，问题出在室外蓄电池柜没有考虑对蓄电池进行高温防护。要想根本解决问题，必须提供蓄电池在室外恶劣环境下应用的综合解决方案。

室外蓄电池柜主动散热技术的对比分析

室外柜的散热方式有多种选择，哪种散热方式适合室外蓄电池柜呢？这要从蓄电池的产品特性说起。对于通信直流电源系统中的铅酸蓄电池，用户最关注的是使用寿命。影响铅酸蓄电池使用寿命的主要因素是环境温度和电网条件。

铅酸蓄电池的使用寿命与环境温度密切相关。环境温度越高，蓄电池的使用寿命越短。当环境温度高于蓄电池设计寿命要求温度(25 ºC)时，温度每上升10ºC，使用寿命缩短一半。

蓄电池的放电次数、放电深度直接影响蓄电池使用寿命。放电次数越多、放电深度越深，蓄电池的使用寿命越短。也就是说电网频繁停电会降低蓄电池的使用寿命。

对于室外基站，通常情况下运营商无力改善电网条件或者改善电网条件的成本太高、无法承受，所以我们从降低蓄电池的工作环境温度入手，来提高蓄电池的使用寿命。

室外柜的传统散热方式是风扇直通风或热交换器，但这两种方式都不能使柜内温度低于柜外的环境温度。对于高温地区（一般在40℃以上）的应用场景，需要通过主动散热，使室外蓄电池柜的柜内温度低于柜外的环境温度。中兴通讯突破常规，组合创新，把制冷部件引入了室外蓄电池柜。

通信主设备(如GSM、传输等)和直流电源的功率变化部分（整流器）在设备运行过程中都会发热，而蓄电池却不同。根据蓄电池充放电的电化学机理，蓄电池放电时不发热。正常充电时(不过充电)基本不发热。即蓄电池在正常使用过程中的发热量可以忽略，因此，室外蓄电池柜内没有热源，需要的制冷量小，据测算，通常情况下室外蓄电池柜只要200—400W的制冷量就够了。热电制冷(Thermoelectric Cooler，即TEC)空调采用新兴的半导体制冷技术，对于室外蓄电池柜的应用场景，TEC空调和传统压缩机空调相比有很多优势：

1) 结构简单、可靠性高。整个制冷器由热电制冷模块和导线连接而成，不需要压缩机，没有机械转动部件，因而无振动、无摩擦、无噪声。可靠性高、寿命长(在32℃环境下寿命大于100,000小时)。

2）制冷不受交流停电影响。采用直流48V供电，在交流停电时由蓄电池给TEC空调供电，室外蓄电池柜内仍然可以实现制冷。

3) 制冷效率与制冷量。在大容量情况下，热电制冷的效率不及蒸气压缩式制冷。但是蒸气压缩式制冷机的效率随容量的减小而下降，且压缩机也不可能做得过小，而热电制冷的效率与容量大小无关，在冷量负荷小的应用领域具有优势。对于室外蓄电池柜应用场景(冷量负荷小)，采用TEC空调是一个理想选择。

4）体积小。特别适合室外柜安装。

5）性价比。综合以上分析，室外蓄电池柜采用TEC空调，性价比高。

6) 维护方便。TEC空调不需要制冷剂循环、没有压缩机转动，定期关注一下防虫网不要被堵住即可，维护工作量很小。

7) 绿色环保。不用氟利昂制冷剂，对大气臭氧层无损害，绿色环保。

基于以上分析，我们选用综合性能优于传统压缩机空调的TEC空调作为室外蓄电池柜的制冷部件。

高温防护能力良好的系列化TEC室外蓄电池柜

TEC室外蓄电池柜由TEC空调、柜体、隔热保温层等组成。为了满足安装不同容量和不同种类蓄电池需要，中兴通讯设计了系列TEC蓄电池柜，两种典型的机柜如图1所示。图左机柜最大可以安装2组狭长形12V 150Ah AGM或者胶体蓄电池。图右机柜最大可以安装6组狭长形12V 150Ah AGM或者胶体蓄电池（也可以安装3组宽体12V 150Ah或者200Ah胶体蓄电池）。为了达到理想的降温效果，要求机柜具备良好的隔热效果，我们对隔热棉进行了专业设计，尽量使用整张原材料而减少开孔和裁剪，隔热棉采用40mm厚度。与TEC模块一样采用IP55防护等级设计。

TEC蓄电池柜在产品设计时充分考虑制冷效果和产品可靠性，选用先进的制冷芯片，高可靠性的风扇，保温性良好的隔热棉。TEC蓄电池柜具备良好的高温防护能力。

图1 两种典型TEC蓄电池柜外形图

综合解决方案提升蓄电池使用寿命并降低TCO

对于通信直流电源系统在恶劣应用环境下的室外应用，综合解决方案的要点是通过采用TEC空调大幅度提高室外蓄电池柜的高温防护能力，显著改善蓄电池的工作环境。采用TEC空调的室外蓄电池柜实验测试结果表明，在柜外环境温度40℃以上时，柜内温度比柜外温度低15℃，蓄电池工作在最佳使用温度范围内。采用TEC室外蓄电池柜和运营商现网的普通室外蓄电池柜相比，蓄电池的使用寿命提高了1.5倍，提高幅度非常大。

综合解决方案采用TEC室外蓄电池柜，在蓄电池柜上增加一些成本投入，获得了宝贵的高温防护能力，使蓄电池工作在最佳使用温度范围内，避免了因使用寿命过低造成的蓄电池成批更换，避免了现场成批更换蓄电池所需的蓄电池采购成本、相关运输费用和更换的人工费用，因此降低了运营商的运行维护成本。蓄电池使用寿命的大幅度提高有效保障通信网络的安全可靠运行，显著改善运营商的客户满意度。因此采用综合解决方案在蓄电池使用寿命提升的同时，为运营商降低了TCO（Total Cost of Ownership）。

应用实例与用户价值

综合解决方案已经在巴基斯坦实际应用。2010年5月中旬， TEC蓄电池柜运抵巴基斯坦某运营商室外基站，采用综合解决方案对该站的直流电源系统进行了现场改造。TEC蓄电池柜投入使用后，对其制冷能力进行了测试，根据现场测试数据生成的温度走势曲线见图2。T2为TEC蓄电池柜内部温度，Tc为室外环境温度（在遮阳篷下的阴凉处测得），ΔT为环境温度与柜内温度的温差。